（1. 广州供电局有限公司 广东广州 510310；2. 华南理工大学电力学院 广东广州 510640）
摘要：配电电网中存在大量的集聚敷设电缆群，其中电缆沟的电缆堆放杂乱，利用传统方法法计算载流量较难，且实际运行中各个电缆输送负荷差距大，电缆群中各电缆不可能等负荷。为充分利用电缆，提高电缆输送效率，有必要研究集聚电缆群载流量的计算。本文通过建立岭泊站集聚电缆群热场仿真模型，固定电缆群其他电缆线路的负荷以计算某一电缆线路的载流量，研究结果表明，利用热场仿真模型可准确计算电缆群载流量，且电缆群断面可多输送420A电流，实现电缆的充分利用。
关键词：热场仿真；集聚电缆群；载流量；电缆沟
The Research on Ampacity of Gather Cable Group Based on Thermal Field Simulation
ZHOU Fanke1,TANG yi, LUO Linhuan,LIU Xiao, Xu Lepin2, ZHANG Huang2, ZHENG Wenjian2
(1. Guangzhou Power Supply Bureau Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510310, China;
2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510640, China)
Abstract： There are a large number of gather cable group in distribution network. Cable stacking in the cable trench is in a mess, which is difficult to calculate the capacity by the traditional method. Besides, the load difference between each cable is large, so it is unreasonable for all cables to use the same ampacity. In order to make full use of the cable and improve the transmission efficiency of the cable, it is necessary to study the calculation of the gather cable group. In this paper, the thermal field simulation model of the gather cable group of the Lingbo Station is set up and calculate the load of a cable line by fixing other cable loads. The results of the study show that, using the thermal field simulation model can accurately calculate the ampacity of cable group, and the cable group can transport 420A current, making full use of the cable.
Key words：thermal field simulation；gather cable group；ampacity；cable trench
随着我国城市化进程的加快,城市用电不断增加[1-3]。电缆作为城市电能输送的载体，在城市的应用越来越广泛。尤其是近几年城市电网的改造和建设不断深入，使得电力电缆的运行、检测、维护工作变得越来越复杂，而电缆载流量作为电缆正常运行的重要指标之一，电缆载流量计算的重要性也日益凸显。
电缆载流量是指当电缆温度达到其主绝缘材料允许的长期最高工作温度（交联聚乙烯XLPE材料为90℃）时允许通过的最大持续电流[4]。如电缆的负荷电流长期超过其实际载流量，将导致绝缘温度升高、加速绝缘材料老化、缩短电缆寿命，甚至有可能发生热击穿而损坏，给电力系统的安全运行带来隐患。根据经验表明，最大允许载流量是在最恶劣的条件下得出的，并没有对电缆的实际运行环境作全面考虑，这将导致对电缆载流量的估算存在误差[5-6]。此外，配电电网中存在大量的集聚电缆群，其中电缆沟尤甚，且电缆沟内电缆一般是杂乱地堆放，各个电缆输送负荷差距大，加大了对载流量准确计算的难度，影响电缆输送能量的效率。
针对以上问题，本文以电缆沟为例，建立集聚电缆群热场仿真模型，通过固定电缆群中其他电缆线路的负荷以计算某一条电缆线路的载流量，实现电缆的充分利用，有利于电力部门对于电缆的管理。1
1集聚电缆群热场仿真模型的建立
本文以广州市岭泊站电缆沟的实际情况为例研究集聚电缆群载流量。岭泊站所选用的电缆为交联聚乙烯钢带铠装三芯电力电缆，型号为YJV22-8.7/15-3×300，电缆的尺寸参数如表1所示。
表1 三芯电缆尺寸参数表
为了便于建立模型，简化计算，将导体屏蔽和绝缘屏蔽归算到绝缘层，即绝缘层的厚度为5.3mm，其内径为20.6±0.5mm，外径为31.2±1.0mm。
三芯电缆各层所使用的材料及其相关参数如表2所示。
表2 三芯电缆材料及参数表
由于电缆的长度相对于电缆的截面积可以认为是无限长，因此可以建立一个二维直角坐标的电缆沟模型进行仿真[7-10]。参考南网典设中的电缆沟的尺寸1.48m×1.21m，使用COMSOL Multiphysics仿真软件建立宽度为4.48m，高度为2.71m的矩形模型作为整个场域，电缆沟内敷设18根三芯电缆，电缆的敷设深度为1.1m，所建立的模型如图1所示。电缆沟内敷设18回路电缆的模型及每根电缆的位置与其所对应的馈线编号如图2所示。
图1 电缆沟敷设模型图
图2 电缆沟内敷设电缆模型及电缆所对应馈线编号图
敷设在电缆沟内的电缆的热量传递的方式包括了热传导、热对流和热辐射三个方面。电缆本体、电缆沟壁与土壤主要是通过热传导方式来传递热量；电缆沟内的传热比较复杂，电缆表面与电缆沟壁存在温度差，因而二者之间存在热辐射，而沟内空气基本处于密封状态，可能存在热传导和热对流。但经过长时间的热量传递之后电缆沟内温度处于稳定状态，空气流动也比较缓慢，因而将电缆沟内的空气当成是传导介质而不考虑其热对流，以简化计算。
2集聚电缆群不等负荷载流量的预测
选取2014年最高负荷日7月24日每条馈线的最大负荷作为电流，对电缆沟敷设进行温度场稳态仿真计算，得到的温度场分布结果如图3所示，各条电缆的导体温度和表皮温度的仿真结果如表3所示。
图3 电缆沟敷设温度场分布局部放大图
从仿真结果及表3中可以看出，当各馈线加载最高负荷时刻的负荷时，整个模型中的最高温度为F18馈线，其导体温度为84.4℃。由于负荷相对较大的几条馈线主要集中在电缆沟模型的左边区域，这个区域的温度会稍高于电缆沟内的右边区域，说明电缆的排列位置对电缆沟内温度场分布是有影响的，当有多根高负荷的电缆排列的比较密集的时候，电缆沟内这部分区域的温度场就会稍高于其他区域。18条馈线的最高温度都没有超过90℃（XLPE长期工作耐受温度），其中F7、F15、F17、F27没有带负荷（负荷电流为0），但是它们的导体温度和表皮温度都高于周围土壤的平均温度8℃以上，且上述4根不带负荷的电缆的表皮温度都稍稍高于导体温度，说明热源来自于电缆外部，是电缆集群敷设的其它电缆通过热传导、热辐射等方式向周围的电缆传递热量，使其温度也升高。
表3 电缆导体温度和表皮温度表
由电缆沟敷设稳态温度场仿真结果可知，当加载最高负荷时刻的负荷时，各条馈线的导体温度都不超过90℃，说明各条馈线的载流能力还有余量，因此各条馈线都有提升载流量的能力。
以馈线F1载流量的计算为例。馈线F1本身的负荷已经达到了451.97A，是18条馈线中负荷比较大的一条馈线，在最大负荷下，馈线F1的导体温度和表皮温度分别为83.33℃和63.85℃。现在固定除馈线F1以外的其他各条馈线的负荷，对馈线F1的载流量进行计算，得到的结果为馈线F1的载流量为484A，仿真结果如图4所示。
图4 F1为484A时电缆沟敷设温度场分布图
按照上述做法，对除了本身负荷为0以外的其他馈线也进行同样的处理和计算，得到各条馈线载流量的结果如表4所示。
从表4中的计算结果可以看出，在其它电缆电流不变条件下，不同单根馈线的载流量都在[422A，495A]的范围内。电缆沟内载流量最大的馈线为F18，达到495A，因为F18的位置是在电缆沟内右侧靠电缆沟壁的位置，且它的上方没有再堆积其他电缆，是散热最好的一条线路；馈线F1的位置是在电缆沟内左侧靠着电缆沟壁，但是F1上方还堆积了另一条馈线，因此它的散热比F18要差一些，载流量相比于F18也会低一些，为484A；电缆沟内左边区域的几条馈线，如F2、F3、F23、F24的载流量相对右边区域的几条馈线会低一些，因为电缆沟左边区域的负荷相对来说会比右边区域大一些，因此本身的温度就会高一些，从而影响了这几条馈线的载流量；电缆沟内堆积的两排电缆中，上方一排电缆的载流量会稍微低于下方一排的载流量，这是由于仿真中主要考虑电缆表面之间以及电缆表面与电缆沟壁之间的热辐射，因此下方一排电缆之间的热辐射作用会比上方一排电缆大一些，另外由于热空气会向上扩散，也会使得上排电缆周围的环境温度升高，所以下方一排载流量也会比上面一排稍大一些。
表4 其它电缆电流不变条件下不同馈线电缆载流量/A
3结论
本文通过建立热场仿真模型，以岭泊站电缆沟为例，对集聚电缆群载流量进行研究，得出以下结论：
1）基于热场仿真的集聚电缆群模型能反映电缆沟的实际运行情况，仿真时需考虑电缆本体、电缆沟壁与土壤的热传导，电缆表面与电缆沟壁的热辐射，沟内空气的热传导。
2）可通过固定集聚电缆群其他电缆馈线的负荷以求得某一馈线负荷的载流量，实现电缆的充分利用，岭泊站电缆群断面可多输送420A电流。
3）由于电缆表面之间以及电缆表面与电缆沟壁之间的热辐射和热空气的向上扩散，使得电缆群的上排电缆周围环境温度升高，因此下方一排载流量会比上面一排稍大。
参考文献：
[1]罗灵琳.单芯电缆暂态温度场及载流量实时计算方法的研究[D].重庆大学,2008.
[2]王鹏.10kV三芯电缆及附件线芯温度计算与实验研究[D].华南理工大学,2016.
[3]刘英,曹晓珑.电力电缆在线测温及载流量监测的研究进展与应用[J].电网与水力发电进展,2007,23(05):11-14.
[4]房猛.电缆载流量分析与计算[D].大连理工大学,2016.
[5]刘蒙.220kV电缆隧道中导体温度监测与载流量计算[D].天津大学,2010.
[6]汤毅,王晓兵,陈燕萍,牛海清,张尧,樊友兵,赵健康.10kV三芯交联电缆载流量的试验研究[J].高电压技术,2009,35(11):2807-2812.
[7]陈必荣,洪滨,王大文,叶加青.电力电缆载流量与温度场关系的研究[J].煤矿机电,2012,(02):1-6+10.
[8]王有元,陈仁刚,陈伟根,杜林,袁园. 基于有限元法的XLPE电缆载流量计算及其影响因素分析[J]. 重庆大学学报,2010,33(05):72-77.
[9]吴文克.直埋电力电缆载流量的有限元数值计算[D].东北电力大学,2017.
[10]郑雁翎. 电缆线路的电缆群载流量优化数值计算模型研究[J]. 高电压技术, 2015, 41(11):3760-3765.
[11]ZHENG Yanling. Research on optimal numerical calculation Model of Cable Groups Ampacity in Cable Route[J]. High Voltage Engineering,2015, 41(11):3760-3765.
作者简介：
周凡珂（1989年-），男，中级工程师，主要从事配电运行管理；
论文作者:周凡珂1,汤毅1,罗林欢1,刘晓1,徐乐平2,张煌
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/17
标签：电缆论文; 电缆沟论文; 流量论文; 负荷论文; 馈线论文; 温度论文; 模型论文; 《电力设备》2017年第33期论文;